Возможность строительства ГЭС в районе Перми была выявлена в начале 1930-х годов, при разработке схемы гидроэнергетического использования бассейна Волги, получившей название «Большая Волга». Начало проектирования и строительства Камской ГЭС было санкционировано Советом Народных Комиссаров в 1932 году. Для возведенияа станции создается организация «Средневолгопермстрой», в 1935 году переименованная в «КамГЭСстрой», в 1934 году были начаты подготовительные работы.
Первый проект Камской ГЭС был разработан к 1937 году. Он предусматривал строительство типичной русловой гидроэлектростанции мощностью 504 МВт (7 гидроагрегатов по 72 МВт), в состав сооружений которой входили здание ГЭС, водосливная плотина и двухниточный однокамерный шлюз.
Уже в процессе строительства выяснилось, что геологические условия створа гораздо сложнее, чем предполагалось. Оказалось, что под слоем глин залегают карстоопасные гипсоносные породы, что делало рискованным возведение ГЭС по изначальному проекту, несмотря на предусмотренные меры по борьбе с фильтрацией, включая создание мерзлотной завесы.
В результате в 1937 году строительство Камской ГЭС было остановлено, а строителей перебросили на возведение Соликамской ГЭС выше по течению Камы, которая должна была стать частью масштабного проекта по соединению Камы, Вычегды и Печоры путем создания одного общего для трех рек водохранилища. Но и эта стройка была остановлена в 1940 году.
Проектировщики вернулись к Пермскому створу. Было принято решение отказался от заглубления электростанции в загипсованные грунты, путем увеличения количества гидроагрегатов и длины здания ГЭС, а также совмещения его с водосливной плотиной. С этой же целью были применены шестикамерные шлюзы. В результате удалось уменьшить заглубление здания ГЭС с 23 до 9 м, сократить объём бетонных работ в 3 раза, в целом удешевить строительство и сократить сроки возведения станции. Проектное задание Камской ГЭС было рассмотрено Госпланом СССР в 1943 году и утверждено в 1945 году.
В 1944 году Совнарком вновь утвердил строительство станции. Первый гидроагрегат Камской ГЭС был пущен через 10 лет - в 1954 году.